李家兵 皮志勇 羅軍 瞿輝

【摘要】根據(jù)真空斷路器投切電容器組產(chǎn)生涌流和多次重燃的現(xiàn)象，分析了電弧重燃的因素、降低重燃率的方法和對策，并提出了一種離線檢測電容器組投切試驗的系統(tǒng)。

【關鍵詞】電容器組 投切 電弧重燃 分析與檢測

真空斷路器具有體積小、滅弧性能好、壽命長、維護量小、使用安全等優(yōu)點，在中壓系統(tǒng)及配電電網(wǎng)中應用日益廣泛。特別是由于其適合頻繁操作的特點，在并聯(lián)電容器補償裝置中基本采用真空斷路器來投切電容器組。

開斷電容器組等容性負載時，由于電容器存在殘余充電電荷，在斷路器斷口會出現(xiàn)含直流分量的較高恢復過電壓。真空斷路器投切電容器組的大量試驗研究表明，真空斷路器存在弧后延時重擊穿并能高頻熄弧的特殊現(xiàn)象，即重燃現(xiàn)象。一旦發(fā)生重燃，會產(chǎn)生高幅值的重燃過電壓，特別是多次重燃或多相重燃，其過電壓嚴重威脅并補裝置和系統(tǒng)安全。因此對于投切電容器組的真空斷路器要求無重燃或低重燃率，國家相應制定有GB7675-87《交流高壓斷路器的開合電容器組試驗》標準，專門用于考核投切電容器組的斷路器性能（必須不發(fā)生重燃）。早期使用的真空斷路器由于性能不完善，在投切電容器組過程中，由于涌流和多次重燃的出現(xiàn)，產(chǎn)生了高的過電壓，給電力設備帶來嚴重的危害。

1電弧重燃原因分析

1.1開斷后幾毫秒內重燃原因分析

一般而言，開斷后5ms內擊穿為復燃；5～10ms內擊穿稱為重擊穿，在10ms以上有的稱之為非自持性放電，在此統(tǒng)稱為重燃。在5ms內重燃主要是真空電弧開斷后的介質恢復強度與恢復電壓對比，介質恢復強度一個是恢復時間，另外是響應的上升幅值。在燃弧過程中電弧加熱觸頭，使其向真空間隙蒸發(fā)，這些金屬蒸氣不斷向間隙外擴散，并在觸頭表面不是很熱的情況下有一部分重新凝結在觸頭表面上。同時在恢復電壓作用下電極會有一定量電子的發(fā)射，但這種發(fā)射不一定能導致間隙擊穿。使間隙擊穿的條件是發(fā)射電流達到一定值或間隙中有能使電子增生的物質存在。真空電弧熄滅后間隙有金屬蒸氣存在，由于金屬蒸氣電離電位低，故很易被電離。介質強度的恢復過程是非常復雜的過程，要精確分析介質恢復過程應從如下方面綜合分析：（1）電弧對電極的非均勻加熱。（2）準確的電極加熱和散熱過程。（3）電極表面的熱狀態(tài)和電子發(fā)射。（4）金屬蒸氣擴散的非自由和非平衡。（5）電子使金屬蒸氣原子電離的實際過程，相對接近實際的方法為試驗法。

燃弧時間對介質恢復過程也有影響，在同一電流下，燃弧時間越長則需要的恢復時間也越長。由于電極熱傳導的作用，如果電流越小且燃弧時間大于一定值時，再增加燃弧時間對恢復時間無明顯影響。此外，電弧熄滅后真空間隙承受正極或負極性電壓（相對電弧電壓的極性）的能力是不同的。對于低熔點金屬隔、鋁和銅，負極性擊穿電壓比正極性擊穿電壓高約10%～20%。實際上，在真空電弧燃弧期間陰極斑點使陰極表面變得粗糙，而陽極則由于加熱比較均勻（特別對較低熔點的觸頭材料）而顯得光滑。這樣，正極性電壓對應著粗糙的陰級表面，電場增強系數(shù)由于陰極表面光滑而較小，故擊穿電壓有較大的提高。

1.2開斷后10ms以上重燃原因分析

開斷后的介質恢復時間較短，一般小于1ms。開斷后10ms以上出現(xiàn)重燃的情況與觸頭表面的冷卻過程有關，這種變化是觸頭熱過程和冷過程對觸頭表面的破壞。對Ag-WC觸頭材料試驗中獲得開斷后0ms、30ms、60ms時的觸頭表面變化情況，從拍攝圖中可見，觸頭表面微粒在開斷后60ms被觀察到，這可能就是電容器組開斷后幾十毫秒以上發(fā)生重燃的原因。

分閘速度對大電流開斷后的觸頭表面變化的影響很嚴重，因為在觸頭分離的小開距時電弧比較集中，這將損壞電極表面，在電極表面的熔橋將明顯上升，這一熔橋將觸頭間連接起來，然后被汽化形成真空電弧。研究熔橋直徑與分閘速度的關系是十分重要的。對Ag-WC觸頭材料進行分析，開斷電流為40kA（方均根植），直流分量為50%，開斷電流峰值為84kA，熔橋直徑隨開斷速度的增加而減小，熔橋對電弧集中程度的影響較大。開斷速度較快時，電弧擴散較快。

2減少電弧重燃措施分析

2.1改善斷路器機械特

雖然真空斷路器比其他種類斷路器具有較好的開斷容性負載的能力，但由于真空間隙耐壓強度不穩(wěn)定及直流耐壓水平較低，而開斷容性負載時恢復電壓較開斷其他負載高且存在較大直流分量，因此真空斷路器應用于投切電容器組時在運行早期表現(xiàn)為存在一定的重燃幾率。其重燃率同觸頭材料、觸頭表面的光潔度及清潔度、斷路器機械特性等諸多因素相關，分散性很大。真空斷路器主要由真空滅弧室和操動機構兩大部分組成，每一部分性能的優(yōu)劣都會影響到斷路器整機的性能。根據(jù)系統(tǒng)試驗站長期來對真空斷路器投切電容器組抗重燃率考核試驗及研究，認為真空斷路器投切電容器組性能首先取決于真空滅弧室的制造質量，其次同所配斷路器的機械特性也密切相關。因此要提高真空斷路器投切電容器組性能必須從提高真空滅弧室制造質量及改善所配斷路器機械特性兩方面入手。

2.2老練工藝處理

首先明確電壓老練和電流老練的區(qū)別。電壓老練是真空器件的普遍工藝，極間加電壓后使極間和絕緣外殼表面產(chǎn)生閃絡，甚至擊穿。此時若電壓不再升高，閃絡消失，以后每升高一次，上述過程就重復一次，直到穩(wěn)定。高壓老練目的在于消除滅弧室內部和外部的毛刺、金屬和非金屬微粒及各種污穢物等。電流老練工藝專為真空滅弧室設定，電流老練用持續(xù)的擴散型電弧，在電極表面不斷運動，以盡可能徹底地清除電極表面的毛刺、金屬氧化物、金屬和非金屬微粒等有害物質，并通過燃弧中產(chǎn)生的電極材料的吸氣作用，使滅弧室內部保持良好的真空度。

老練后的滅弧室解剖觀察，除了表面光滑和雜質（主要是Fe，Si等）減少外，還發(fā)現(xiàn)電弧作用過的陰極表面層材料的晶格結構有明顯的變化，距表面10μm以內材料晶粒細化，對深層材料和只經(jīng)過高壓火花老練過的電極表層晶相觀察，其晶格直徑約為幾微米，而經(jīng)過電流老練過的陰極表面層晶粒直徑在1μm以下。細化晶粒構造的形成可能與電弧引起的局部熔化及快速冷卻有關。金屬凝固原理指出，液態(tài)合金的冷凝過程冷卻速度越大，晶核產(chǎn)生得越多，晶粒的粗化受到限制因而晶粒越細。這種均勻化的細結構對于減少材料的成分不均勻（偏析），減少電極表面凸點結構，減少微料團脫落是有利的，這些都對減少重燃起了重要作用。

3型式試驗狀況分析

七十年代未就開始從事用于切合電容器組的真空斷路器試驗研究，于90年開始從事斷路器投切電容器組型式質檢試驗。表1是近年來10kV真空斷路器開合電容器組型式試驗一次性通過的情況，可以看出一次性通過率比較低，原因在于某些制造廠技術力量不夠，對真空斷路器切合電容器組的特殊性認識不足，選用的真空滅弧室質量不佳或機構調整不良所致。（如表1）

可以看出，一次性通過率并不高，由于這一客觀現(xiàn)實的存在，所以各開關用戶在設備投運時，往往在現(xiàn)場做投切試驗。按試驗規(guī)程要求新投電容器組真空斷路器連續(xù)進行10次投切試驗。

筆者通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，檢測該項目使用為8通道示波器，主要由試驗人員跟蹤全過程，這樣有可能造成數(shù)據(jù)的丟失，不能有效的進行分析。因此，與運行人員、試驗人員反復探討提出一種智能檢測系統(tǒng)。

4檢測系統(tǒng)結構

建立在以上理論基礎上的電容器組真空斷路器電弧重燃離線檢測系統(tǒng)由主機（PC104）、采集板、液晶顯示屏、鼠標鍵盤接口、打印機接口、USB接口等組成。采集板以CPU、CPLD、A/D、電壓傳感器、電流傳感器等組成。主要是以斷路器分合動作時刻對電壓電流錄波來實現(xiàn)的。錄波參數(shù)有UA、UB、UC、U0、IA、IB、IC等電分量，這些被檢測電分量保證在同一時間坐標軸上顯示，試驗人員可有效的分析電弧的幅值和波形，觀察開關是否有重燃現(xiàn)象。

4.1總體設計思路及設計重點

檢測系統(tǒng)各信號及連接如圖1所示，三相電壓和中性點電位由阻容并聯(lián)分壓器獲得，三相電流由安裝于主回路電流互感器次級獲得。系統(tǒng)控制斷路器分合閘并兼作主回路各電壓電流的錄波啟動信號。（如圖1）

4.2信號的抽取初步考慮

對于電容器電壓波形的監(jiān)測，現(xiàn)場運行人員發(fā)表了大量的文章探討，其中不少是關于信號測量點選取。我們通過現(xiàn)場的實地考察，決定在電容器母線上安裝一個分壓器來提取電壓信號。如圖2所示，分壓器外殼采用合成絕緣子，分壓電容、電阻、隔離變等分立元件組成，采用環(huán)氧環(huán)脂澆注固定在絕緣子內。上面為固定端，主要與母排固定，固定方法為：將分壓器由開口處掛在母排上，并擰緊上端固定螺釘，下端為一次接地端，檢測時與變電所系統(tǒng)大地可靠接觸。輸出信號用航空插座與檢測系統(tǒng)相連，為裝置提供電壓信號。因為以往的現(xiàn)場檢測曾有近6倍左右相電壓額定值的過電壓發(fā)生，所以分壓器的設計考慮在最高36000伏的作用電壓下，±5V的AD轉換器模塊能記錄下電壓變化全過程。估計高于50000伏的最高峰值可能會削掉一點，但那是極少有的情況，我們按絕大多數(shù)3-4倍過電壓測量準確清晰為設計依據(jù)。這樣記錄的全過程對分析診斷有無重燃及事故的全過程可提供足夠的信息和數(shù)據(jù)。（如圖2）

5結語

本文在現(xiàn)場實地考察，與運行人員反復探討的基礎上，分析了電弧重燃的因素、降低重燃率的方法和對策，提出了一種實用性強、適應性廣的檢測系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)完成實驗室測試，已進入現(xiàn)場應用階段。